haratkhr技報

SRモータ技術研究所

コンデンサ始動単相誘導モーター

コンデンサ始動単相誘導モーターの解説は、一般的に以下の様になっています。

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 主巻線と始動巻線を直角方向に配列し、始動巻線にコンデンサを接続すると、各巻線の電流は90°の位相差のある交流となり、主巻線の磁束と始動巻線の磁束の合成磁束は一定の値で反時計回りに回転する回転磁界となり、回転子を回転させる。

 コンデンサによって、始動トルクが大きく、力率を改善できる。

 

この技報のコンデンサ始動単相誘導モーターの解説は以下のとおりとです。

 

始動トルクを発生させるには、2次電流の位相と直交磁束の位相を同相にする必要があります。

単相誘導モーターの原理  で説明しています。)

主巻線の2次電流の位相は電源電圧と同相です。

補助巻線に流れる電流位相を同相にするため、コンデンサを使用し90°進んだ電流を抵抗に流します。

抵抗の電圧は電源電圧より90°進んだ位相の電圧になります。

この抵抗の電圧を補助巻線に印加し直交磁束を作ります。

90°進んだ位相の電圧より、90°遅れ電源電圧と同相になります。

前記の抵抗は、実際は、かご型ローターの抵抗と補助巻線の抵抗が相当します。

始動し、定格回転数になると、速度起電力による電流による電圧と電源電圧が加算した電圧がコンデンサに印加され、コンデンサ電流が増加し、回転エネルギーが、補助巻線からも電力が供給されるようになります。

コンデンサ容量によりますが、補助巻線の電流が主巻線より大きくなる場合もあります。

 遠心力スイッチは必須でなく、小出力モータでは一般的に常時接続です。

分相始動単相誘導モーター

分相始動単相誘導モーターの解説は、一般的に以下の様になっています。

 

主巻線とそれに直角に補助巻線を設け、補助巻線電流位相を主巻線電流に対し進み位相とする事で始動トルクを得る、始動トルクが小さい方式であり、巻線の抵抗の損失を無くす為、始動後に遠心力スイッチによって補助巻線を開放します。

補助巻線は細線で巻数を少なくすると、抵抗が大きくしリアクタンスが小さくなるので補助巻線に流れる電流の位相が進み、両巻線の磁束に位相差ができ回転磁界ができる。

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この技報の分相始動単相誘導モーターの解説は以下のとおりとです。

 

始動トルクを発生させるには、2次電流の位相と直交磁束の位相を同相にする必要があります。

単相誘導モーターの原理 で説明しています。)

主巻線の2次電流の位相は電源電圧と同相です。

補助巻線の仕様が主巻線と同等とすると、電源から補助巻線に流れる電流は、主巻線励磁電流と同様に90°遅れます。

分相始動とは、補助巻線と直列に抵抗を入れ電流の遅れを少なくし、同相に近づけた始動方式です。

抵抗により、90°の遅れから、約20ー30°の遅れにしています。

位相差があると逆方向のトルクが発生します。

抵抗値により遅れを少なくすると、励磁電流が減少するためと、逆方向のトルクにより、始動トルクは小さい。

 

単相誘導モーターの原理

この技報の単相誘導モーターの概要、原理は以下のとおりとです。

 

 相誘導モーターのローターはかご型ローターを使用しています。

単相誘導モーターは主巻線のみでトルクが発生し、定格回転できます。

一度回転させると、回転方向が決まるが、両方向に回転できます。

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かご型ローターが停止状態で、主巻線にAC電源を接続すると、主巻線には、90°遅れた励磁電流と2次電流に対応した1次電流が合成され流れますが、トルクは発生せず、回転しません。

この時の2次電流の値はAC電源電圧、2次電圧、かご型ローターの速度起電力、かご型ローターの抵抗と主巻線の抵抗で決まり、AC電源と同相です。

外部の力でローターを回すと、主巻線の磁束により、ローター導体に励磁電流と同相の速度起電力が発生し、速度起電力より90°遅れた励磁電流が流れ、主巻線の磁束と直交する直交磁束が発生する。

直交磁束はAC電源より180°遅れ、主巻線の2次電流はAC電源の反転位相であり直交磁束と2次電流は同相となる。

主巻線の2次電流と直交磁束によりユニバーサルモータと同様に、AC電源の極性に関係なく、同方向のトルクが発生する。

ローターを一定速度以上までまわすと、直交磁束が大きくなり、発生したトルクが発電のトルクより大きくなると、自らローターを回転させ、ローターの回転速度が上昇し、かご型ローターの速度起電力が2次電圧とほぼ等しくなる回転数で回り続けます。

(直流モータの回転数が速度起電力と電源電圧の関係できまるのと同様です。)

始動巻線の電圧を測定すれば、直交磁束の値、位相を推定できます。

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 単相誘導モーターの原理を見直すことにより、制御方法を明確にできました。

その結果を基に、特殊インバータ回路を使用した新方式の始動方式の検討を始めました。

直流モータと同等の始動トルクが得られると予想しています。

詳細は後日紹介します。

単相誘導モーターの技術解説

単相誘導モーターの原理は、一般的に以下の様になっています。

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主巻線と始動巻線を直角方向に配列し、始動巻線にコンデンサを接続すると、各巻線の電流は90°の位相差のある交流となり、主巻線の磁束と始動巻線の磁束の合成磁束は一定の値で反時計回りに回転する回転磁界となり、回転子を回転させる。

 

モータの設計者向けの技術解説では上記の説明は不十分です。以下の点について疑問を残し、動作の理解が出来ません。

・主巻線の励磁電流は電源位相より90°遅れる。

・始動巻線の電流は電源位相より90°進む。

・各巻線の電流の位相差はどうして90°の位相差なる。

・始動時の各巻線の電圧、電流。

・回転時の各巻線の電圧、電流。

 ・トルク発生の仕組み。

 ・回転子の中心の磁束とトルクの関係。

 

実際に、単相誘導モーターを回して、測定した電圧、電流データより原理を見直します。

実際の各巻線の電圧、電流は技術解説と大きく異なっています。

 

休止連絡

明細書作成のため、出願完了まで新規の更新を休止します。

 

進行

明細書案 【課題を解決するための手段】 3.08完了
明細書案 【図面】           3.13完了
明細書案 【発明を実施するための形態】 3.16完了
明細書案 【実施例】          3.30完了

明細書案 【産業上の利用可能性】    3.14完了
明細書案 【符号の説明】        3.30完了
明細書案 【特許請求の範囲】           3.14完了
明細書案 【要約】           3.14完了

 

 弁理士事務所を通さない出願は手間がかかりますが、以前に比べ便利なツールが整備されています。

出願費用は特許出願1.4万円、電子証明書1.4万円で計2.8万円です。

自宅やのパソコンからオンラインで行う電子出願手続の準備にはいりました。3.18

電子証明書を入手しました。3.30 

オンライン電子出願しました。3.31  

明細書案 1

 

明細書の修正案(3.11)です。

 

公知になるのを避けるため、【発明が解決しようとする課題】までとします。

 

【発明の名称】スイッチドリラクタンスモータ

 

【発明の詳細な説明】

【技術分野】
【0 0 0 1 】
 本発明は、リラクタンス を利用したモータに関する。
【背景技術】
【0 0 0 2 】
 スイッチドリラクタンスモータは、固定子、回転子共に電磁鋼板を積層して製作され、巻線は固定子極にのみ巻かれ、回転子には施されない。
一般的な直流電動機、誘導機や同期機と比較して構造が簡単で堅牢、保守が容易、高速回転に適する、回転機として優れた特長を有している。
【0 0 0 3 】

従来の3相スイッチトリラクタンスモータの横断面図を図6に示す。

【0 0 0 4 】

 61はA相のステータ磁極であり、A相の巻線67、68を図のシンボルで示す正負の方向に破線6Nで示すように61へ集中して巻回する。64は負のA相のステータ磁極であり、A相の巻線6E、6Dを図のシンボルで示す正負の方向に破線64で示すように64へ集中して巻回する。
この2つの巻線は、電流の方向が一致するように、渡り線で直列に接続する。

図6に示すロータ回転位置でA相の電流を流すと、矢印6Mで示す磁束が発生し、吸引力が発生し、反時計回転方向CCWへトルクが発生する。

【0 0 0 5 】

 63はB相のステータ磁極、66は負のB相のステータ磁極、65はC相のステータ磁、62は負のC相のステータ磁極であり、A相と同様に巻線が施されている。

【0 0 0 6】

 図6に示すモータは、ロータ6Lの回転位置に応じてA相電流、B相電流、C相電流を順次通電して、総合トルクとして連続トルクを生成する。
A相電流の電流の向きは、2つの巻線の電流方向を同時に逆向きにしても、磁性体の吸引力でトルクを発生させるので、トルクの方向は変わらない。B相電流、C相電流についても同様である。

【先行技術文献】
【非特許文献】
【0 0 0 7】
【非特許文献1】固定子突極構造ハイブリッド形スイッチトリラクタンスモータの特性、電気学会論文誌、産業応用部門D、123巻2号、2003年、p75~81

【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0 0 0 8 】
 スイッチドリラクタンスモータ は動作原理上、励磁エネルギーを蓄積していかないと、トルクを得られず、吸引が完了後に励磁エネルギーが最大に蓄積された状態になり、この蓄積された励磁エネルギーを電源もどす必要がある。すなわち、モータに入力された励磁エネルギーの一部しか機械出力に変換されないため、力率が低くなる問題があり、励磁電流が大きくなり、巻き線の抵抗値を小さくしなければ効率が悪くなる問題があった。
【0 0 0 9 】
 動作原理上の力率の最大値は50%であり、巻き線の磁束が回転子を通らない漏洩磁束がある場合、力率はさらに低下し一般には45%以下である。

一般的な直流電動機の力率は100%に近く、誘導機や同期機の力率は85%以上である。

スイッチドリラクタンスモータを駆動には、半導体スイッチが使用されるが、力率が悪いため、電流が大きくなり、損失を抑えるには、大型の素子が必要になりコストが高くなる問題があった。
【0 0 1 0 】

 本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、一般的な直流電動機、誘導機や同期機と同等の力率が得られる新方式のリラクタンストルク発生方法を提供することを目的とする。

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New SRモータの特許

公知例を調べることを考えていましたが、海外の文献が多くあり困難と判断し、とりあえず、ADSRモータの特許を出願することにします。

 

特許とのつきあいは、数十年前、学生の時に特許出願したのが、始まりでした。

当時の出願費用は印紙3000円のみで、手書きの明細書でOKでした。

 

出願費用は高くなりましたが、弁理士事務所を通さない出願なら費用はわずかで済みます。

国際出願時を事を考え、簡略な明細書にするつもりです。

明細書の内容で、差しさわりの無い所は、ここで紹介します。

まず最初に発明の名称をきめました。

 

[発明の名称] スイッチドリラクタンスモータ

DCBとSRB

モータは励磁エネルギーを介して、電気エネルギーと機械エネルギーを交換しています。

 DCモータのエネルギーの交換装置をDCB(DCボックス)と名づけて、エネルギーの流れを説明します。

 

電磁エネルギーは左から右へ、機械エネルギーは下から上へとなります。

DCMは励磁電力Peが機械出力Output Pmへ変換されます。

DCGは機械入力Pmが発電出力Output Prへ変換されます。

変換出力を大きくすると、対応して入力が大おきくなります。

入力されたエネルギーはすぐ出力され、DCBの蓄積エネルギー量は変化しません。

力率は100%となります。

 

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DCBは蓄積エネルギー量を変化させずに、一定のトルクを得られますが、

SRBは蓄積エネルギー量を増やしていかないと、一定のトルクを得られません。

 

 

New SRモータ  2

3月になりました。

2種類のNew SRモータを開発しています。

 

New SRモータ の概要 2

 

 1.ASSRモータ

PMを使用した、コギングトルクのないアシスト専用ハイブリッドSRモータです。

用途指向形として従来のSRモータをアレンジしています。

現在、SRGの特性改善を目指し、2次試作品を構想中です。

 

2.ADSRモータ

 モータと駆動回路を全面変更した新型SRモータです。

最大の問題点である力率、トルク/体積比を改善します。

トルクの仕組みを全面変更し、エネルギー蓄積機器から、エネルギー変換機器に変え、力率 ギャップ長の問題を回避します。

高効率化を狙いネオジム磁石を使用します。

 力率90%以上、効率90%以上が目標です。

従来のSRモータと大幅に異なりますが、リラクタンスモータです。

IPM同期モータへの挑戦です。

 現在、1次試作品の検討中てす。